橋梁拼接縫混凝土滲透性及與裂縫寬度關系研究

楊 揚，韓建坤，張國榮，陳 偉，韓依璇

(1.在役長大橋梁安全與健康國家重點實驗室，蘇交科集團股份有限公司，江蘇 南京 211112；2.河海大學，江蘇 南京 210098；3.湖北工業大學，湖北 武漢 430068)

0 引言

隨著我國交通運輸行業的蓬勃發展，眾多老舊橋梁無法滿足日益增長的交通量需求，橋梁拓寬改造因而成為高速公路改擴建工程的重要環節，多數橋梁采用拼寬加固法進行拓寬改造[1-2]。拼接縫屬于典型的新舊混凝土連接部位構造。調研發現，拼接縫病害量大面廣，主要表現為混凝土開裂、脫落和滲水等問題[3]。裂縫不僅為外界侵蝕介質滲透提供了通道，導致混凝土密實性能降低，進一步加速結構耐久性能劣化；還可能造成單板受力現象，存在重大結構安全隱患[4]。因此，拼接縫混凝土的性能和質量對拓寬改造橋梁的運營安全至關重要，十分有必要對其耐久性和裂縫狀態進行長期跟蹤評價。然而由于表面鋪裝的存在，等病害發展到鋪裝層時往往已達嚴重程度。常規的裂縫觀測儀、超聲波等表層檢測手段不適用，或其精度受裂縫深度和構件形狀影響，不能滿足混凝土內部或不可見裂縫狀態檢評的需求，更無法為預防性養護提供有效支撐。

混凝土的密實性能，通常用滲透性或抗滲性指標表征，反映了侵蝕介質進入并在混凝土內部傳輸的難易程度，同時也反映混凝土的抗腐蝕、抗凍融和抗裂性能[5]。因此，測量并研究拼接縫混凝土的抗滲性，一方面可以評估其密實性能，另一方面能夠及時發現內部裂縫的產生和發展，進行早期干預，為預防性養護決策提供技術支撐。國內外通常采用的混凝土滲透性試驗方法總體可以分為水滲透法、離子滲透法和氣體滲透法3類[6-14]，水滲透法存在滲透過程難達到穩態、精度低、不適于強度較高混凝土等不足；離子滲透法需要現場留樣或對實體結構有損取樣，且為表層檢測；氣體滲透法則具有測量精度高、結構現場無損測試等優勢，且對混凝土的化學組分和微觀結構無影響。該方法已經過室內試驗的反復驗證[15-16]，并完成了在核反應堆和橋梁墩柱等實體結構中的應用可行性試驗[13,17]。

于此，本研究采用基于氣壓差值法的新型氣體滲透技術，通過現場測試結合室內試驗和回歸分析等方式，對實體橋梁拼接縫混凝土的氣體滲透系數進行測量，同步研究并建立該混凝土的氣體滲透系數與裂縫寬度的相關性，最終實現對依托工程拼接縫混凝土密實性能和施工質量的評估，對混凝土內部或不可見裂縫的產生和狀態進行評價。

1 試驗方案

試驗方案主要分為室內材料層面和現場結構層面研究兩部分。實驗室工作包含拼接縫混凝土基本物理性能測量、帶貫穿裂縫的混凝土試件的氣體滲透測試及數值模擬，通過標定試驗和回歸分析確定氣體滲透系數與裂縫寬度閉合的定量關系。現場試驗則通過施工期在橋梁拼接縫內預埋傳感器，在運營期開展“脈沖試驗”測量氣壓隨時間的變化，利用室內試驗結果推導實體橋梁拼接縫混凝土的開裂狀況。

1.1 拼接縫混凝土制備與基本性能測量

1.1.1原材料與配合比

原材料

(1)水泥：某公司生產的P·II 52.5硅酸鹽水泥；(2)粗集料：江西贛江生產的大(16～25 mm)小(5～16 mm)粒徑按照4∶6比例混合；(3)細集料：中砂，細度模數為2.68；(4)減水劑：上海某公司生產的高性能聚羧酸高效減水劑，減水率為27%；(5)膨脹劑：江蘇某公司生產的HME-IV混凝土高效膨脹劑。(6)纖維：江蘇博特生產的潤強絲(III)粗聚丙烯纖維。

混凝土配合比

根據依托工程對拼接縫混凝土的要求和配合比，混凝土設計強度為C50，坍落度為140～180 mm。室內試驗混凝土水膠比為0.30，砂率為39%，粗聚丙烯纖維體積摻量0.75%，膨脹劑摻量為10%。具體材料用量如表1所示，按照此配合比進行混凝土試件成型和養護。

表1 每方混凝土材料用量Tab.1 Material amounts per square concrete

1.1.2基本物理性能測量

(1)抗壓強度：參照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081)相關規定進行混凝土抗壓強度測試。

(2)限制膨脹率：采用DZBY-355型補償式混凝土收縮膨脹儀，參照《混凝土外加劑應用技術規范》(GB 50119)中附錄B相關規定進行混凝土限制膨脹率測試。

1.1.3氣體滲透性與水飽和度測量

(1)基于氣壓差值法的氣體滲透性室內試驗

實驗室內測量混凝土試件的氣體滲透性，是將試件置于一端以恒定進氣壓Pi注氣，另一端連接大氣壓P0自由排氣的氣壓差條件下。在測試時間Δt內，足夠小的進氣壓降ΔPi和加載于試件上的圍壓使得通過試件的氣流為穩態層流，符合達西定律要求。由于混凝土材料的高抗滲性、低滲透性使得通過的氣體流量非常小，一般商用流量傳感器很難滿足精度要求，因此使用氣壓降間接測量氣體滲透系數Kx，達西定律改寫如下[15]：

(1)

(2)初始狀態下混凝土試件的水飽和度測量

水飽和度指試件在某一狀態下，含水孔隙體積占聯通孔隙總體積的比率，是表征混凝土孔隙水飽和程度的指標。初始狀態下混凝土水飽和度的測量步驟為：測量并記錄試件初始質量m0，隨后將試件置于105 ℃干燥箱中干燥至恒重，記錄干燥質量mdry。隨后將試件進行真空水飽和處理，待質量恒定后記錄飽和質量msaturated。計算公式如下：

(2)

式中，Sw為試件的初始水飽和度；Vwater為試件孔隙含水體積；Vvoid為試件孔隙總體積；m0指試件初始質量；msaturated為試件飽和質量；mdry為試件干燥質量；ρw指水的密度。

1.2 帶貫穿裂縫的拼接縫混凝土試件的氣體滲透性測試

本試驗主要研究圍壓加卸載過程中，宏觀裂縫的閉合對混凝土氣體滲透性的影響。采用巴西劈裂法制備帶貫穿裂縫的試件，如圖1所示。在氣體滲透性試驗過程中利用LVDT位移計同步跟蹤裂縫的開閉合隨圍壓的變化，如圖2所示。同時測量對應狀態下的氣體滲透系數[18]。采用裂縫開合度cc表征裂縫寬度開閉合的變化，如果cc為正且增大，意味著裂縫兩個表面間距變小，處于合并狀態中；反之，裂縫處于打開狀態。

圖1 巴西劈裂制備裂縫Fig.1 Crack produced by Brazilian split method

圖2 LVDT位移計測量裂縫開閉情況示意圖Fig.2 Schematic diagram of measuring crack closure by LVDT displacement meter

1.3 數據處理與回歸分析

考慮到裂縫初始寬度各異，且工程應用中重點關注裂縫狀態隨時間的變化，為了使長期跟蹤觀測的結果更直觀、更具可比性，將氣體滲透系數和裂縫開合度進行標準化處理，采用相對氣體滲透率k/k0和裂縫寬度相對變化量ac進行分析。前者是氣體滲透系數與圍壓卸載段初始氣體滲透系數的比值；后者指裂縫開合度與圍壓卸載段初始裂縫開合度的差值。由于卸載段裂縫處于打開狀態，裂縫開合度cc隨圍壓降低而減小。為了使自變量值始終為正，取二者差值的相反數，即最終ac每增大1/100 mm表示裂縫寬度相對卸載初始階段增大了1/100 mm。ac按照式(3)計算：

ac=-(ccn-cc0),

(3)

式中,ccn為卸載段某一圍壓值下的裂縫開合度；cc0指卸載初始階段裂縫開合度。

以k/k0為應變量，ac為自變量，選擇合適的函數進行擬合，建立兩者之間的定量關系。

1.4 現場測試

1.4.1依托工程概況

本研究以江蘇省江都至廣陵高速公路改擴建工程的松橋河橋為依托工程，采用同跨徑、同結構兩側分別拼寬，拼寬橋與原橋上部構造橫向連接下部不連接的擴建方式。原橋共5跨，采用5×16 m預應力混凝土空心板，全長85.48 m(16.04 m+16 m+16 m+16 m+16.04 m)，橋寬26 m。左右半幅各拼寬8 m，擴建后橋梁全寬42 m。拼接縫混凝土為C50補償收縮超鋼纖維混凝土，配合比見表1。

1.4.2脈沖傳感器預埋

為方便設備安裝和后期測量，選擇松橋河橋北半幅邊跨作為試驗對象。在拼接縫跨中及靠近兩端支座位置各埋設1支微孔隙不銹鋼脈沖傳感器，如圖3所示，共埋入3支。用鋼絲固定于拼接縫鋼筋籠內、距底部鋼筋10 cm。位于橋臺處的傳感器編號為1#，跨中位置處為2#，橋墩處為3#。鑒于測量區域為以傳感器為軸的橢球形，因此將傳感器平行于拼接縫方向放置，如圖4所示。

圖3 脈沖傳感器照片及示意圖Fig.3 Photo and schematic diagram of pulse sensor

1.4.3現場“脈沖試驗”

由于實體混凝土結構構件體積龐大，氣體擴散需要很長時間才能達到穩態，無法滿足便捷、高效的現場測量要求，因而改良氣體滲透實驗室方法采用非穩態氣流。一方面采用埋入式傳感器控制氣體擴散范圍；另一方面測量時僅以低壓緩沖罐供氣，直至壓力下降至既定數值。測量結束后，比較實測氣壓降與數值模擬氣壓降曲線，推導出現場實測的有效氣體滲透系數Ke和混凝土水飽和度Sw數值[17]。對于同次測量的不同傳感器在相同時間內的氣壓降ΔP值，可將某一傳感器所測混凝土的氣體滲透系數作為基準值，換算出其余傳感器的氣體滲透系數。

自依托工程拼接縫混凝土澆注完畢起，分別在1個月和8個月兩個齡期開展了現場測試。其中1個月齡期考慮了荷載作用，分為偏載和對稱加載兩種工況。偏載方式是指加載車只在原橋側布置，對稱加載是指加載車在拼縫兩側分別布置，詳見圖5和6。每種工況分別在加載前、加載完成和卸載后開展橋梁拼縫混凝土氣體滲透性測試。而8個月齡期時開展了橋梁正常運營狀態下的氣體滲透性測試。

圖4 脈沖傳感器預埋位置Fig.4 Location of embedded pulse sensor

圖5 偏載加載工況(單位：cm)Fig.5 Unbalanced loading condition(unit:cm)

圖6 對稱加載工況(單位:cm)Fig.6 Symmetrical loading condition(unit:cm)

2 結果與分析

2.1 拼接縫混凝土的基本性能

2.1.1基本物理性能

拼接縫混凝土試件28 d平均抗壓強度為77.3 MPa，滿足C50混凝土強度設計要求。混凝土試件水中3 d，7 d和14 d的限制膨脹率為0.032%，0.040%和0.048%，水中14 d轉空氣中28 d的限制膨脹率為0.017%，亦滿足限制膨脹率設計要求。

2.1.2初始狀態下的試件水飽和度和氣體滲透系數

初始狀態下，拼接縫混凝土試件的平均氣體滲透系數為3.65×10-18m2，平均水飽和度為92.6%，標準差分別為0.1×10-18m2和0.69%，同批次混凝土試件在相同養護條件下密實性能變化浮動小。

由于依托工程橋梁拼接縫采用C50補償收縮纖維混凝土，整體強度高，密實性能較好，初始狀態下內部含水量較高。預埋在拼接縫內部中心位置的傳感器，可認為其周圍混凝土在初始狀態接近完全飽和，處于完好狀態，因此取混凝土試件初始狀態下的平均氣體滲透系數(k0=3.65×10-18m2)作為實體橋梁拼接縫混凝土的初始氣體滲透系數值。

表2 試件初始氣體滲透系數和水飽和度Tab.2 Initial gas permeability coefficient and water saturation of samples

2.2 氣體滲透系數與裂縫寬度閉合的關系

擬合方程說明，當ac=0時，試件氣體滲透系數為初始值，相對氣體滲透率為1；當ac增大時，表明裂縫打開，裂縫寬度變大，氣體滲透系數也隨之增大；當ac增大1.125×10-2mm時，氣體滲透系數較初始狀態增大10倍左右。換言之，當裂縫寬度增大0.01 mm時，氣體滲透系數相應地有一個數量級的變化。這一重要結論應用于實體橋梁結構的裂縫狀態評估，通過測量并比較構件兩次及以上的氣體滲透系數，可定量判斷裂縫寬度發展狀況。

圖7 k/k0與ac散點圖Fig.7 Scatter diagram of k/k0 vs. ac

圖8 k/k0與ac曲線擬合結果Fig.8 Fitting result of k/k0-ac curve

2.3 實橋拼接縫混凝土的相對氣壓降

鑒于“脈沖試驗”現場直接采集的數據為傳感器氣壓值，所以先采用最為直觀的相對氣壓降分析氣體擴散行為，以初步判斷混凝土的密實性能。相對氣壓Pr指試驗時的傳感器氣壓Pif與初始進氣壓Pi0的比值，如式(4)所示。

(4)

圖9 實橋拼接縫混凝土的相對氣壓變化曲線Fig.9 Relative gas pressure curve of joint concrete of real bridge

在不同齡期和不同荷載工況下，3支傳感器的相對氣壓隨時間變化曲線如圖9所示。由圖可知：(1)1#傳感器的相對氣壓降介于1～0.996之間，接近于1且變化非常小，說明周圍混凝土質量良好。荷載作用下相對氣壓下降速率略有減緩，說明傳感器周圍混凝土趨于密實，受荷載影響較小；(2)2#傳感器1個月齡期的相對氣壓變化值顯著大于1#和3#，降幅較大，說明拼接縫跨中混凝土的初始缺陷大于兩端。施加荷載后相對氣壓下降速率和幅度均加劇，說明存在初始缺陷情況下荷載對混凝土的密實性能和滲透性影響明顯；(3)3#傳感器1個月齡期的相對氣壓變化規律與1#相似，說明混凝土澆注質量良好。但8個月齡期的相對氣壓出現明顯下降，初步判斷該處混凝土內部可能出現裂縫。

2.4 實橋拼接縫混凝土的氣體滲透系數

由相對氣壓降分析結果可知，1#傳感器的相對氣壓降穩定在1～0.996之間，波動極小。鑒于該處混凝土澆筑質量良好，因此可將其視為初始完好狀態(氣體滲透系數取試件初始狀態下的氣體滲透系數值k0)，通過式(5)換算其余傳感器的氣體滲透系數。

(5)

式中，k其他指其他傳感器周圍混凝土氣體滲透系數；k1#指1#傳感器混凝土氣體滲透系數，k1#=k0=3.65×10-18m2；ΔP其他和ΔP1#分別為其他傳感器和1#傳感器的氣壓降(取正值)。通過換算，松橋河橋的拼接縫混凝土傳感器在不同荷載作用下、不同齡期(1個月和8個月)、相同時間段內(Δt=300 s)的氣體滲透系數如表3和圖10所示。為了便于分析，圖10中將氣體滲透系數取對數(即lgk)作為縱坐標。

由測試結果可知，3支傳感器的氣體滲透系數均處于10-16～10-19量級，滲透性較低，說明拼接縫混凝土的密實性能整體良好。對比1個月齡期時3支傳感器的氣體滲透系數可知，2#傳感器數值比1#和3#高2個數量級，差異顯著，說明邊跨拼接縫跨中位置施工完畢后即存在初始缺陷的可能性非常大。而8個月齡期時，該傳感器周圍混凝土的氣體滲透系數從4.14×10-16m2減小到4.73×10-17m2，降低了一個數量級，氣體擴散難度的增加說明混凝土的密實性提升，這可能是由于膨脹劑的膨脹效應改善了該處混凝土的初始缺陷。

表3 現場拼接縫混凝土氣體滲透系數K換算結果Tab.3 Conversion result of gas permeability coefficient K of in-situ joint concrete

圖10 拼接縫混凝土氣體滲透系數Fig.10 Gas permeability coefficient of joint concrete

加卸載狀況下，3支傳感器的氣體滲透系數出現小幅波動。鑒于空心板梁拼接縫主要以承受剪力為主、扭矩為輔，說明剪力對拼接縫混凝土宏觀缺陷或微觀裂縫、微觀孔隙的閉合效果有限。此外，3支傳感器的氣體滲透系數在對稱加載和偏載兩種加載方式下差異極小，同時證明了拼接縫混凝土的施工質量和工作性能。

對比同一傳感器周圍混凝土在不同齡期下(1個月和8個月)的氣體滲透系數，1#和2#均呈現降低趨勢，再次說明了膨脹劑對混凝土密實性能的改善作用。而3#傳感器的氣體滲透系數從6.61×10-18m2增大到9.28×10-17m2，升高了一個數量級，結合室內試驗和數值模擬的結果，推測該傳感器周圍混凝土的原始微裂縫有發展為宏觀裂縫的可能，且裂縫寬度增大了約0.01 mm。

3 結論與展望

3.1 結論

本研究結合材料層面和結構層面的室內外氣體滲透試驗，建立了一套用于橋梁拼接縫混凝土裂縫狀態無損跟蹤評估的技術。

(1)對帶有劈裂貫穿裂縫的混凝土試件開展氣體滲透系數與裂縫寬度相關性試驗，并采用回歸分析法建立了相對氣體滲透率k/k0與裂縫寬度相對變化量ac的定量關系，發現當ac增大1.125×10-2mm時，氣體滲透系數較初始狀態增大10倍左右，為混凝土裂縫狀態的現場評估提供了理論依據。

(2)在依托工程拼接縫內部預埋傳感器，分別在混凝土不同齡期和不同荷載條件下開展“脈沖試驗”現場測試，結合室內試驗和回歸分析結果，對拼接縫混凝土的施工質量和密實性能進行評估。

① 氣體滲透系數基本在10-16～10-19的量級，滲透性較低，說明拼接縫混凝土密實性能整體較好。

② 1個月齡期時，2#傳感器周圍混凝土氣體滲透系數顯著高于1#和3#，說明此處可能存在初始施工質量缺陷，如宏觀裂縫或孔洞。

③ 對比1個月和8個月不同齡期下的混凝土氣體滲透系數，1#和2#傳感器均呈現顯著降低趨勢，這可能是由于膨脹劑的膨脹效應改善了該位置混凝土的初始缺陷；而不同的是，3#傳感器氣體滲透系數提高了一個數量級，此處混凝土的原始微裂縫有發展為宏觀裂縫的可能，且裂縫寬度增大了約0.01 mm。

3.2 展望

本研究初步驗證了基于氣壓差值法的氣體滲透測試技術對補償收縮混凝土的裂縫寬度變化評估的可行性。但由于所采集數據量有限，且混凝土性能變化總體較為緩慢，因此還需通過采集和分析更多數據進一步提升該方法的精確度。此外，可開展該項新技術與裂縫圖像、超聲波和地質雷達等已有檢測技術的橫向對比研究。